DE102011051957A1

DE102011051957A1 - Brennstoffdüse mit Luftaufnahmemantel

Info

Publication number: DE102011051957A1
Application number: DE102011051957A
Authority: DE
Inventors: Nishant Govindbhai Parsania; Gregory Boardman; Dheeraj Sharma
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2012-02-02
Also published as: JP2012032143A; US20120023951A1; CN102345869A; CH703514A2

Abstract

Eine Brennstoffdüse für eine Gasturbine weist einen Luftaufnahmemantel auf, der an einer entlang deruftstrom aus einer Außenseite der Brennstoffdüse in einen Innenbereich der Brennstoffdüse zulässt. Mehrere Luftaufnahmeöffnungen in dem Luftaufnahmemantel könnten dazu eingerichtet sein, zu bewirken, dass in den Innenraum der Brennstoffdüse zugelassene Luft, drehend um den Innenraum der Brennstoffdüse wirbelt. Falls die Brennstoffdüse außerdem Drallschaufeln aufweist, die stromaufwärts des Luftaufnahmemantels angeordnet sind, und die ebenfalls bewirken, dass Luft in der Brennstoffdüse drehend um den Innenraum der Brennstoffdüse wirbelt, sollten die Luftaufnahmeöffnungen des Luftaufnahmemantels vorzugsweise bewirken, dass durch den Luftaufnahmemantel hindurch eingelassene Luft in einer Drehrichtung wirbelt, die gegenüber dem durch die Drallschaufeln hervorgerufenen Wirbel entgegengesetzt ist. Dies fördert eine bessere Vermischung der Luft und des Brennstoffs in der Düse.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Gasturbinen, die in Kraftwerken zur Stromerzeugung verwendet werden, nutzen gewöhnlich mehrere Brennkammern, die in einem konzentrischen Ring um die Außenseite des Verdichterabschnitts der Turbine angeordnet sind. Innerhalb jeder Brennkammer speisen mehrere Brennstoffdüsen Brennstoff in einen Strom verdichteter Luft ein. Das Brennstoff/Luft-Gemisch wird anschließend in der Brennkammer gezündet, und die heißen Verbrennungsgase werden zu dem Turbinenabschnitt des Triebwerks gelenkt.
In vielen Brennstoffdüsen strömt verdichtete Luft entlang der Innenseite des Düsengrundkörpers, und Brennstoff wird der Luft hinzugefügt, während sie sich im Innern der Düse befindet. Einige Brennstoffdüsen weisen außerdem Drallschaufeln auf, die im Innern des Düsengrundkörpers angeordnet sind. Die Drallschaufeln bewirken, dass die Luft, die entlang der gesamten Länge des Inneren der Brennstoffdüse strömt, um das Innere der Düse drehend wirbelt. Diese Wirbelbewegung fördert die Vermischung des Brennstoffs und der Luft, und dieses Mischen oder Vormischen beugt der Entstehung unerwünschter Verbrennungsnebenprodukte wie z. B. NO_x vor.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt kann die Erfindung in einer Brennstoffdüse für eine Brennkammer einer Gasturbine genutzt werden, wobei die Brennstoffdüse ein Außengehäuse und einen Luftaufnahmemantel aufweist, der an einem intermediären Punkt entlang einer Länge des Außengehäuses angeordnet ist. Der Luftaufnahmemantel ist mit mehreren Luftaufnahmeöffnungen ausgebildet, die es der entlang der Außenseite des Außengehäuses strömenden Luft, gestatten, in einen Innenraum des Außengehäuses einzutreten.
In einem weiteren Aspekt kann die Erfindung in einer Brennstoffdüse für eine Brennkammer einer Gasturbine verwirklicht sein, wobei die Brennstoffdüse aufweist: ein Außengehäuse; ein etwa in dem Zentrum des Außengehäuses angeordneter innerer Brennstoffkanalpfad; und mehrere Drallschaufeln, die in einem Ringraum zwischen einer Außenfläche des inneren Brennstoffkanalpfads und einer Innenfläche des Außengehäuses angeordnet sind. Die Drallschaufeln bewirken, dass Luft, die in dem Ringraum nach unten strömt, in einer ersten Drehrichtung um den Ringraum wirbelt. Die Brennstoffdüse enthält ferner einen Luftaufnahmemantel, der an einem intermediären Punkt entlang einer Länge des Außengehäuses angeordnet ist, wobei der Luftaufnahmemantel mit mehreren Luftaufnahmeöffnungen ausgebildet ist, die es der entlang der Außenseite des Außengehäuses strömenden Luft gestatten, an einer stromabwärts der Drallschaufeln liegenden Stelle in den Ringraum einzutreten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt in einem Längsschnitt einen Abschnitt einer Brennstoffdüse;
2 zeigt die in 1 veranschaulichte Brennstoffdüse in einer Querschnittsansicht;
3 zeigt einen Abschnitt der in 1 veranschaulichten Brennstoffdüse in einer geschnittenen Teilansicht; und
4 veranschaulicht in einer Schnittansicht einen Luftaufnahmemanteleinsatz für eine Brennstoffdüse.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 veranschaulicht einen stromabwärts gelegenen Abschnitt eines typischen Brennstoffinjektors, der in der Brennkammer eines Turbinentriebwerks verwendet werden kann. Eine derartige Brennstoffdüse könnte zusätzliche Strukturen enthalten, die stromaufwärts der in 1 dargestellten Elemente angeordnet sind.
Die Brennstoffdüse weist ein Außengehäuse 102 und einen inneren Brennstoffkanalpfad 104 auf. Die Brennstoffdüse weist ferner einen zentralen Brennstoffkanalpfad 106 auf, der entlang des Zentrums des inneren Brennstoffkanalpfads 104 verläuft. Zwischen der Außenfläche des inneren Brennstoffkanalpfads 104 und der Innenfläche des Außengehäuses 102 wird ein Ringraum 113 gebildet. Verdichtete Luft strömt in der Regel durch diesen Ringraum 113 nach unten und vermischt sich mit Brennstoff, bevor sie die Düse verlässt.
Mehrere Drallschaufeln 110 erstrecken sich radial ausgehend von der Außenfläche des inneren Brennstoffkanalpfads zu einer Stelle, die sich benachbart der Innenfläche des Außengehäuses 102 in dem Ringraum 113 befindet. Die stromaufwärts gelegenen Enden der Drallschaufeln erstrecken sich parallel zu der Längsachse der Brennstoffdüse. Allerdings sind die stromabwärts gelegenen Enden der Drallschaufeln gekrümmt, um zu bewirken, dass die in den Ringraum nach unten strömende Luft drehend um den Ringraum 113 wirbelt.
Die Drallschaufeln 110 sind auch in der in 2 veranschaulichten Querschnittsansicht dargestellt. Aus 2 geht deutlicher hervor, wie die stromabwärts gelegenen Enden der Drallschaufeln 110 gekrümmt sind, um der Luft, die über die gesamte Länge der Düse strömt, eine Wirbelbewegung zu verleihen.
In den Drallschaufeln 110 können mehrere Brennstoffzufuhröffnungen 112 ausgebildet sein. In der Regel wird Brennstoff durch die Brennstoffzufuhröffnungen 112 in den Luftstrom emittiert, der entlang des Ringraums 113 in dem Außengehäuse 102 der Brennstoffdüse 100 strömt. Darüber hinaus oder alternativ könnte Brennstoff auch durch andere Strukturen in den Luftstrom eingebracht werden. Die durch die gekrümmten Enden der Drallschaufeln 110 induziert Wirbelbewegung unterstützt die Vermischung der Luft und des Brennstoffs, während sich diese entlang der Brennstoffdüse bewegen.
Weiter weist die Brennstoffdüse einen Luftaufnahmemantel 120 auf, der mit mehreren Luftaufnahmeöffnungen 122 ausgebildet ist, die auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Luftaufnahmemantels 120 angeordnet sind. Luft, die entlang der Außenseite des Außengehäuses 102 strömt, tritt in die Luftaufnahmeöffnungen 122 ein, und die Luft wird anschließend in einem in dem Luftaufnahmemantel 120 angeordneten ringförmigen Durchlasskanalpfad 124 aufgenommen. Die Luft wird anschließend durch den ringförmigen Durchlasskanalpfad 124 hindurch in einen Ringraum 130 geleitet, der stromabwärts der Drallschaufeln 110 angeordnet ist.
Die Luft, die im Innern der Düse durch die Luftaufnahmeöffnungen 122 und den ringförmigen Durchlasskanalpfad 124 in den Ringraum 130 eintritt, vermischt sich anschließend mit dem Brennstoff/Luft-Gemisch, das stromabwärts der Drallschaufeln 110 um den Ringraum 130 wirbelt. Das Brennstoff/Luft-Gemisch strömt dann weiter zu dem stromabwärts gelegenen Ende 125 der Brennstoffdüse, wo es die Brennstoffdüse verlässt. Das die Brennstoffdüse verlassende Brennstoff/Luft-Gemisch wird anschließend in der Brennkammer der Gasturbine gezündet.
3 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts des an der Brennstoffdüse angeordneten Luftaufnahmemantels. In einigen Ausführungsbeispielen des Luftaufnahmemantels erstrecken sich die Luftaufnahmeöffnungen 122 in Bezug auf eine Längsachse der Brennstoffdüse unter einem Winkel. Daraus ergibt sich, dass die die Luftaufnahmeöffnungen 122 durchquerende Luft unter einem Winkel in den Ringraum 124 eintritt, was dazu führt, dass die Luft in dem ringförmigen Durchlasskanalpfad 124 drehend um den Innenraum wirbelt. Dieser turbulente Luftstrom tritt anschließend stromabwärts der Drallschaufeln immer noch drehend wirbelnd in den Ringraum 130 ein.
In 3 ist eine Längsachse einer der Luftaufnahmeöffnungen 122 mit dem Bezugszeichen 130 bezeichnet. Eine parallel zu der zentralen Längsachse der Brennstoffdüse verlaufende Linie ist mit dem Bezugszeichen 132 bezeichnet. Die Längsachsenlinie 130 und die parallel zu der Längsachse der Brennstoffdüse verlaufende Linie 132 sind beide in einer Ebene angeordnet, die zu einer Ebene parallel verläuft, die die äußere zylindrische Oberfläche des Luftaufnahmemantels 120 an einer Stelle kapp oberhalb der Luftaufnahmeöffnung 122 tangential schneidet. Wie in 3 veranschaulicht, bilden die Längsachse 130 der Luftaufnahmeöffnung 122 und die parallel zu der Längsachse der Brennstoffdüse verlaufenden Linie 132 einen Winkel θ₂.
Dann ist der Winkel θ₂ verhältnismäßig klein, die in den ringförmigen Durchlasskanalpfad 124 eintretende Luft wird nur mäßig wirbeln. Mit zunehmendem Winkel θ₂ wird die in den ringförmigen Durchlasskanalpfad 124 eintretende Luft, dazu veranlasst, mit höherer Drehgeschwindigkeit um den ringförmigen Durchlasskanalpfad 124 zu wirbeln.
3 veranschaulicht außerdem, dass die Wände des ringförmigen Durchlasskanalpfads 124 in Bezug auf eine Längsachse der Brennstoffdüse nach innen abgewinkelt sind. Wie in 3 gezeigt, bildet die Innenfläche der Außenwand 127 des ringförmigen Durchlasskanalpfads 124 in Bezug auf eine zu einer zentralen Längsachse der Brennstoffdüse parallel verlaufenden Linie 135 einen Winkel θ₁. Dies bewirkt, dass die durch den ringförmigen Durchlasskanalpfad 124 strömende Luft nach unten in den stromabwärts der Drallschaufeln 110 angeordneten Ringraum 130 gelenkt wird. Die durch den Winkel θ₁ vorgesehene leichte Konvergenz steigert die Axiale Geschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches, was dazu beiträgt, Probleme in Zusammenhang mit Flammenhaltung stromabwärts knapp unterhalb der Drallschaufeln 110 zu vermeiden.
Es ist erwünscht, dass die durch den Luftaufnahmemantel in die Brennstoffdüse eintretende Luft um das Innere der Brennstoffdüse in einer Drehrichtung wirbelt, die entgegengesetzt zu der Wirbelrichtung der Luft ist, die über die Drallschaufeln 110 geströmt ist. Indem der durch den Luftaufnahmemantel in die Brennstoffdüse eintretende Luftstrom veranlasst wird, in einer Drehrichtung zu wirbeln, die entgegengesetzt zu derjenigen der bereits um den Innenraum der Brennstoffdüse wirbelnden Luft/Brennstoff-Mischung ist, wird eine bessere Vermischung der Luft und des Brennstoffs in der Düse gefördert. Außerdem führt die bessere Vermischung von Luft und Brennstoff zu einer Verringerung der unerwünschten Verbrennungsnebenprodukte, z. B. NO_x.
Wie oben erwähnt, veranschaulicht 2 eine Querschnittsansicht der Brennstoffdüse, wie sie von einem stromaufwärts gelegenen Ende der Brennstoffdüse her zu sehen ist. Dementsprechend wird Luft, die entlang der gesamten Länge der Brennstoffdüse strömt, in die in 2 veranschaulichte Darstellungsebene strömen. Aufgrund der Art und Weise der Krümmung der Drallschaufeln 110 wird Luft, die über die Drallschaufeln 110 strömt, von dem stromaufwärts gelegenen Ende der Brennstoffdüse her gesehen in einer dem Uhrzeigersinn entgegengesetzten Richtung wirbeln.
Es ist daher erwünscht, dass die Luftaufnahmeöffnungen 122 des Luftaufnahmemantels 120 die durch die Luftaufnahmemantel 120 eintretende Luft veranlassen, in einer Drehrichtung zu wirbeln, die von dem stromaufwärts gelegenen Ende der Brennstoffdüse her gesehen im Uhrzeigersinn verläuft. Indem die durch den Luftaufnahmemantel in die Brennstoffdüse eintretende Luft veranlasst wird, im Uhrzeigersinn, d. h. entgegengesetzt zu der durch die Wirbelschaufeln 110 hervorgerufenen Wirbelrichtung, zu wirbeln, wird eine bessere Vermischung des Brennstoffs und der Luft in der Brennstoffdüse gefördert. Außerdem erzeugen Unterschiede der Geschwindigkeiten in Längsrichtung, die zwischen den beiden Luftströmen vorhanden sind, zwischen den beiden Luftströmen eine Scherschicht, die die Vermischung von Luft und Brennstoff ebenfalls verbessert.
In einigen Ausführungsbeispielen kann der Luftaufnahmemantel als ein Einsatzelement konstruiert sein, das in die Längsseite einer Brennstoffdüse eingeführt wird. 4 veranschaulicht ein derartiges Ausführungsbeispiel. Wie in 4 gezeigt, ist der Luftaufnahmemantel 120 in der Tat ein Einsatzelement, das zwischen einem stromaufwärts gelegenen Ende 102a der Brennstoffdüse und einem stromabwärts gelegenen Ende 102b der Brennstoffdüse eingeführt ist.
Wie in 4 gezeigt, erlauben mehrere Luftaufnahmeöffnungen 122 den Eintritt von Luft, die entlang der Außenseite des stromaufwärts gelegenen Endes 102a der Brennstoffdüse strömt, in einen ringförmigen Durchlasskanalpfad 124. Die Luftaufnahmeöffnungen 122 sind in Bezug auf eine Längsachse der Brennstoffdüse abgewinkelt. Auf diese Weise neigt die in den ringförmigen Durchlasskanalpfad 124 eintretende Luft dazu, drehend um den Innenraum des Luftaufnahmemantels zu wirbeln.
In einigen Ausführungsbeispielen können außerdem mehrere Turbulenzerzeugungsvorsprünge 126 auf Oberflächen des ringförmigen Durchlasskanalpfads 124 angeordnet sein. Einige Turbulenzerzeugungsvorsprünge 126 können auf der Oberfläche der Innenseite 121 des ringförmigen Durchlasskanalpfads 124 angeordnet sein. Weiter könnten Turbulenzerzeugungsvorsprünge 129 auf der Oberfläche der Außenwand 127 des ringförmigen Durchlasskanalpfads 124 angeordnet sein. Die durch die Turbulenzerzeugungsvorsprünge hervorgerufene Turbulenz würde die Vermischung der Luft und des Brennstoff in der Düse zusätzlich fördern.
In einigen Ausführungsbeispielen würden die Turbulenzerzeugungsvorsprünge in einem konzentrischen Ring um eine oder beide Wände des ringförmigen Durchlasskanalpfads 124 angeordnet sein. In weiteren Ausführungsbeispielen könnten die Turbulenzerzeugungsvorsprünge an den Wänden des ringförmigen Durchlasskanalpfads in anderen Mustern angeordnet sein. Die Turbulenzerzeugungsvorsprünge können auch in einem Muster angeordnet sein, das die Aufrechterhaltung der Wirbelbewegung der den ringförmigen Durchlasskanalpfad 124 durchströmenden Luft unterstützt. Weiter können die Turbulenzerzeugungsvorsprünge außerdem eine Form aufweisen, die die Aufrechterhaltung der Wirbelbewegung der den ringförmigen Durchlasskanalpfad 124 durchströmenden Luft unterstützt.
Die Bereitstellung der Luftaufnahmeöffnungen 122 kann sich auch auf die Brennkammerdynamik vorteilhaft auswirken. Der Raum in dem Kopfende der Brennkammer kann als ein Absorptionsvolumen wirken. Durch selektives Ändern der Anzahl, Position und Öffnungsabmessung der Luftaufnahmeöffnungen 122 lassen sich ausgewählte unerwünschte Schwingungsfrequenzen absorbieren. Ein Variieren der Anzahl, der Position und der Öffnungsabmessung der Luftaufnahmeöffnungen 122 ermöglicht es, auf gewisse spezielle Frequenzen mit Blick auf eine Absorption abzuzielen.
Während die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, von dem gegenwärtig angenommen wird, dass es sich am besten verwirklichen lässt, ist die Erfindung allerdings selbstverständlich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel zu beschränken, sondern soll vielmehr vielfältige Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
Eine Brennstoffdüse für eine Gasturbine weist einen Luftaufnahmemantel auf, der an einer entlang der Länge der Brennstoffdüse gelegenen Stelle einen Luftstrom aus einer Außenseite der Brennstoffdüse in einen Innenbereich der Brennstoffdüse zulässt. Mehrere Luftaufnahmeöffnungen in dem Luftaufnahmemantel könnten dazu eingerichtet sein, zu bewirken, dass in den Innenraum der Brennstoffdüse zugelassene Luft, drehend um den Innenraum der Brennstoffdüse wirbelt. Falls die Brennstoffdüse außerdem Drallschaufeln aufweist, die stromaufwärts des Luftaufnahmemantels angeordnet sind, und die ebenfalls bewirken, dass Luft in der Brennstoffdüse drehend um den Innenraum der Brennstoffdüse wirbelt, sollten die Luftaufnahmeöffnungen des Luftaufnahmemantels vorzugsweise bewirken, dass durch den Luftaufnahmemantel hindurch eingelassene Luft in einer Drehrichtung wirbelt, die gegenüber dem durch die Drallschaufeln hervorgerufenen Wirbel entgegengesetzt ist. Dies fördert eine bessere Vermischung der Luft und des Brennstoffs in der Düse.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffdüse
102: Außengehäuse
102a: Stromaufwärts gelegenes Ende
102b: Stromabwärts gelegenes Ende
104: Innerer Brennstoffkanalpfad
106: Zentraler Brennstoffkanalpfad
110: Drallschaufeln
112: Brennstoffzufuhröffnungen
113: Ringförmiger Raum
120: Luftaufnahmemantel
121: Innere Seite
122: Luftaufnahmeöffnungen
124: Ringförmiger Durchlasskanalpfad
125: Stromabwärts gelegenes Ende
126/129: Turbulenzerzeugungsvorsprünge
127: Äußere Wand
127: Äußere Wand
130: Ringförmiger Raum
130: Längsachse
132: Bezugszeichen
132/135: Linie

Claims

Brennstoffdüse für eine Brennkammer eines Turbinentriebwerks, umfassend: ein Außengehäuse; einen Luftaufnahmemantel, der an einem intermediären Punkt entlang einer Länge des Außengehäuses angeordnet ist, wobei der Luftaufnahmemantel mit mehreren Luftaufnahmeöffnungen versehen ist, die es entlang der Außenseite des Außengehäuses strömender Luft gestatten, in einen Innenraum des Außengehäuses einzutreten.
Brennstoffdüse nach Anspruch 1, wobei innerhalb des Außengehäuses mehrere Drallschaufeln angeordnet sind und wobei die Drallschaufeln bewirken, dass Luft, die entlang des Innenraums des Außengehäuses strömt, in einer ersten Drehrichtung um den Innenraum des Außengehäuses wirbelt.
Brennstoffdüse nach Anspruch 2, wobei die Luftaufnahmeöffnungen bewirken, dass Luft, die durch die Luftaufnahmeöffnungen in den Innenraum des Außengehäuses eintritt, um den Innenraum des Außengehäuses wirbelt.
Brennstoffdüse nach Anspruch 2, wobei die Luftaufnahmeöffnungen bewirken, dass Luft, die durch die Luftaufnahmeöffnungen in den Innenraum des Außengehäuses eintritt, um den Innenraum des Außengehäuses in einer zweiten Drehrichtung wirbelt, die gegenüber der ersten Drehrichtung entgegengesetzt ist.
Brennstoffdüse nach Anspruch 4, wobei eine Längsachse jeder Luftaufnahmeöffnung sich in Bezug auf eine Längsachse der Brennstoffdüse unter einem Winkel in einer Ebene erstreckt, die zu einer äußeren zylindrischen Oberfläche des Luftaufnahmemantels an einer Stelle, die unmittelbar benachbart zu der Luftaufnahmeöffnung angeordnet ist, in etwa tangential verläuft.
Brennstoffdüse nach Anspruch 5, wobei der Winkel zwischen 10° und 60° beträgt.
Brennstoffdüse nach Anspruch 5, wobei der Winkel etwa 45° beträgt.
Brennstoffdüse nach Anspruch 1, wobei die Luftaufnahmeöffnungen bewirken, dass Luft, die durch die Luftaufnahmeöffnungen in den Innenraum des Außengehäuses eintritt, in einer Drehrichtung um den Innenraum des Außengehäuses wirbelt.
Brennstoffdüse nach Anspruch 8, wobei eine Längsachse jeder Luftaufnahmeöffnung sich in Bezug auf eine Längsachse der Brennstoffdüse unter einem Winkel in einer Ebene erstreckt, die zu einer äußeren zylindrischen Oberfläche des Luftaufnahmemantels an einer Stelle, die unmittelbar benachbart zu der Luftaufnahmeöffnung angeordnet ist, in etwa tangential verläuft.
Brennstoffdüse nach Anspruch 9, wobei der Winkel zwischen 10° und 60° beträgt.